Si desea controlar la corriente de accionamientos eléctricos y fuentes de alimentación con electrónica inteligente, debe dominar el equilibrio entre la potencia y la microelectrónica. Este artículo describe diferentes variantes de una tecnología única y diversa de PCB de alta corriente, apta para corrientes de hasta 1,000 A. La base de esta tecnología son las barras de cobre integradas que sobresalen de la superficie para contactar con los SMD y otros componentes de potencia.
Para cerrar la brecha entre los conductores de alta corriente, por un lado, y los componentes electrónicos, por otro, se suelen requerir diversos cables, materiales de montaje e intercaladores, especialmente si se utilizan SMD. El objetivo es integrar barras colectoras en placas de circuito impreso para ahorrar volumen de construcción y esfuerzo de montaje en los sistemas, y combinar las corrientes de accionamiento y alimentación, así como los controles electrónicos.
Existen diversas tecnologías de placas de circuito diseñadas para aplicaciones de potencia. Estas incluyen multicapas con espesores de capa de cobre aumentados de hasta 400 micrómetros, que pueden nivelarse en capas superiores. Además, se ofrecen varias técnicas que se basan en un aumento selectivo de la sección transversal del cobre, como la técnica iceberg, la técnica de cableado y la incrustación parcial de laminados gruesos de cobre.
Tecnología de accionamiento: Optimice la PCB de alta corriente para controles de motores
En este artículo se comparan tres tecnologías de PCB para placas de circuito impreso de alta corriente: Dickschicht, Iceberg y HSMtec. La topología y el diseño de PCB influyen en la capacidad de conducción de corriente y la disipación de calor de los semiconductores de potencia.
Existen tecnologías adecuadas para combinar el circuito de carga y el conductor fino para señales lógicas en una placa de circuito FR4. Esto ahorra espacio y evita la tecnología de conexión convencional con placas separadas, lo que aumenta la fiabilidad del control del motor. El desarrollador de PCB puede optimizar la capacidad de conducción de corriente y la disipación térmica de los semiconductores de potencia según su tarea.
Desde el punto de vista de la placa de circuito impreso, las especificaciones de la electrónica de accionamiento se pueden resumir en cinco puntos: 1) alta densidad de integración, 2) fiabilidad del conjunto electrónico, 3) rápida disipación del calor, 4) altas corrientes combinadas con la electrónica de control y 5) reducción de los costes del sistema, por ejemplo, cambiando a componentes SMD, menos componentes o procesos de montaje.
Una solución inteligente consiste en combinar la sección de potencia y la electrónica de control (es decir, los circuitos de carga y la lógica de control) en lugar de dos placas de circuito impreso en una sola. Sin embargo, esto requiere grandes secciones transversales de conductor y grandes distancias de aislamiento para los conductores de alta corriente, así como estructuras de conductores finas para el control en una sola placa. Esto elimina costosas conexiones de enchufe, cables y barras colectoras, así como pasos de montaje y riesgos que limitan la fiabilidad. KSG, especialista en PCB, cuenta con tres tecnologías para ello: cobre grueso, tecnología iceberg y HSMtec. Los tres procesos utilizan el material base estándar FR4.
Contacto seguro con PCB de alta corriente
Todas estas tecnologías tienen algo en común: no suele haber suficiente sección transversal entre las capas de la placa PCB de alta corriente y las conexiones para componentes de montaje superficial o conexiones roscadas. Las vías forman un cuello de botella para las corrientes del tamaño deseado. Además, los conectores a presión, los tornillos y las abrazaderas tampoco garantizan un contacto fiable con las capas. Solo la soldadura limpia de las conexiones crea una conexión continua entre los componentes y todas las capas. Sin embargo, en este caso, cuanto mayor sea el espesor total del cobre, mayor será el riesgo de penetración de la soldadura.
Por el contrario, independientemente del diseño, la placa de circuito de alta corriente contacta los componentes y conexiones con la sección transversal máxima del conductor (Figura 2 a continuación). De esta manera, los componentes SM y THT pueden combinarse con semiconductores de potencia unidos, contactos a presión y conexiones de tornillo sin cuello de botella en el circuito de corriente. Al mismo tiempo, la barra colectora actúa como disipador de calor. Los componentes están en contacto directo con esta masa térmica y, por lo tanto, se refrigeran óptimamente.
Diseño, producción y procesamiento de PCB de alta corriente
A diferencia de las barras colectoras convencionales, conocidas en ingeniería eléctrica, para la placa de circuito impreso de alta corriente se utilizan piezas de cobre con formas personalizadas. La forma y la posición de las piezas de cobre se pueden definir libremente. Esto permite al diseñador de maquetación colocar los componentes y las conexiones de forma que se cree un módulo compacto con funciones térmicas y eléctricas optimizadas.
Dado que cada proyecto de alta corriente tiene sus propias características, es difícil establecer reglas generales de diseño. Dependiendo del tamaño y la forma de las piezas de cobre y las barras de aislamiento, deben verificarse los límites de diseño para cada proyecto. Los valores orientativos ofrecen una guía aproximada para el diseño.
Para fabricar una placa de circuito impreso (PCB) de alta corriente, primero se fabrican las piezas de cobre. Dependiendo del tamaño, la forma y el número de piezas, esto se realiza mediante grabado, fresado o punzonado. Las piezas de cobre se colocan en marcos prefresados y luego se prensan con preimpregnados y, posiblemente, otras capas.
Una ventaja de la PCB de alta corriente es su procesamiento. Gracias a que las barras colectoras están integradas, la placa de circuito impreso de alta corriente, aparte de su peso, es prácticamente indistinguible de otras placas de circuito impreso. Puede procesarse mediante procesos SMD convencionales si el perfil se configura con una mayor masa térmica. La experiencia demuestra que estos procesos de soldadura se pueden dominar a la perfección. Por otro lado, la reparación de componentes que entran en contacto directo con el riel de alta corriente es más compleja que con los conjuntos planos convencionales.
Variantes tecnológicas de PCB de alta corriente
El potencial total de la placa PCB de alta corriente queda claro cuando se consideran las posibles variaciones.
La tecnología ofrece el mayor beneficio si las piezas de cobre se conforman de tal manera que llegan a la superficie y quedan alineadas con las demás almohadillas en la parte superior o inferior (Fig. 1). Esto proporciona una placa de circuito completamente plana que puede procesarse posteriormente en el proceso de impresión y ensamblaje sin necesidad de ajustes. Los terminales de cable, los módulos y los componentes atornillables también son más fáciles de conectar a la posición de alta corriente.
En otra versión de la tecnología, la capa de alta corriente sobresale lateralmente del borde de la placa de circuito. Estos contactos pueden usarse directamente como conectores o como el extremo de una barra colectora convencional.
Las siguientes dos variantes del circuito impreso de alta corriente no están destinadas a corrientes más altas que a enfriar componentes.
Si las piezas de cobre tienen superficies de conexión SMD tanto hacia arriba como hacia abajo, funcionan como incrustaciones de circuitos impresos convencionales, que se introducen a presión en los recortes de las placas de circuito impreso para conducir el calor de los componentes de potencia desde la parte superior a la inferior. Las piezas de cobre incrustadas (Fig. 9) se diferencian de las incrustaciones convencionales en que su fabricación y procesamiento son más fiables, ya que no se someten a tensión mecánica en la placa. Además, el tamaño y la posición de las almohadillas se pueden seleccionar independientemente. La conexión eléctrica también es posible sin esfuerzo adicional.
La última variante de la placa PCB de alta corriente es una versión unilateral (Figuras 10 y 11). En ella, las almohadillas elevadas de lámina de cobre sobresalen a través del aislamiento de una fina capa para entrar en contacto directo, como contactos de disipador SMD, con las conexiones correspondientes del componente. A diferencia de los sustratos de aluminio fabricados con IMS, esta versión no tiene capa aislante, lo que permite disipar potencias significativamente mayores. Estas construcciones se utilizan, entre otras, para LED de alto rendimiento de hasta 10 W.
Con la placa de circuito de alta corriente, Tecnología MOKO amplía su gama de tecnologías en el campo de la gestión térmica con otro componente importante:
El cobre sólido está incrustado en la placa de circuito y se puede colocar directamente en las almohadillas SMD que llegan a la superficie.
Estructura de una placa de circuito SMD de alta corriente
La placa de circuito de alta corriente también se puede contactar con otras tecnologías de montaje y conexión:
– Soldadura por reflujo/ola SMD/THT – Unión de cables de aluminio
– Tornillos: ojales / agujeros roscados
– Agujeros ciegos de las capas exteriores
– Conector de alta corriente con tecnología de ajuste a presión
En muchos casos, el esfuerzo adicional para la producción de PCB de alta corriente se puede reducir en parte mediante procesos de fabricación especialmente implementados y en parte mediante un control de procesos optimizado de los procesos estándar.
Las PCB de cobre grueso distribuyen las pérdidas de potencia horizontalmente
La tecnología de cobre grueso se ha consolidado en el mercado durante muchos años y se fabrica en grandes cantidades. En la industria de PCB, se suele hablar de cobre grueso para estructuras de cobre de ≥105 µm. Los conductores de cobre grueso permiten una mejor distribución horizontal del calor ante las altas pérdidas de potencia de los componentes de potencia o para el transporte de altas corrientes, y sustituyen las construcciones estampadas y dobladas de las barras colectoras en aplicaciones de PCB de alta corriente. Con hasta cuatro capas internas, cada una con 400 µm de cobre, se puede transportar una corriente de varios cientos de amperios. Idealmente, los conductores de cobre grueso se ubican en las capas internas.
La flexibilidad para modificar el diseño, el diseño compacto, la simplicidad del procesamiento y montaje, los costes de modificación comparativamente bajos y los procesos estándar de la industria de las PCB son una ventaja para las PCB de cobre grueso. Si bien los pasos del proceso de una placa de circuito impreso de cobre grueso no difieren significativamente del rendimiento estándar de una placa de circuito impreso convencional, su producción requiere una experiencia y una gestión de procesos especiales. Una placa de circuito impreso de cobre grueso permanece en la línea de grabado entre 10 y 15 veces más tiempo y presenta un perfil de grabado típico. Los procesos de grabado y taladrado de la placa de circuito impreso de cobre grueso determinan las normas de diseño del diagrama del circuito y deben respetarse. El fabricante de PCB ofrece una lista de sugerencias para optimizar los costes y el proceso de construcción y diseño de capas.
Información importante: Los laminados FR4 con un revestimiento de cobre base ≥105 µm son más caros debido a su alto contenido de cobre. En comparación con un laminado estándar laminado por ambas caras con 18 µm, el factor de coste del material es de aproximadamente 1:8 a 1:10. El desarrollador de PCB debe prestar atención al máximo aprovechamiento del material. La coordinación temprana con el fabricante de PCB ayuda a reducir significativamente los costes. En cuanto a la miniaturización, la tecnología de cobre grueso es limitada. Debido a la fuerte socavación, solo se pueden crear estructuras relativamente gruesas. Otra limitación: el cableado de señales finas no es posible al mismo nivel que el conductor de cobre grueso.
Iceberg: por una topografía de superficie uniforme
A nivel de cableado, existen áreas con cobre de 70 a 100 µm para la lógica y áreas con hasta 400 µm para la carga. El cobre grueso está prácticamente enterrado en la placa de circuito. Esto crea una topografía superficial uniforme en todo el patrón de conductores. El principio del iceberg también puede combinarse con cobre grueso en las capas internas.
La incrustación de dos tercios del área de cobre de 400 µm de espesor en el material base crea una superficie plana para la placa de circuito impreso. Ventaja: Los flancos del conductor se pueden cubrir de forma fiable con una máscara de soldadura en un solo proceso de fundición. El ensamblaje posterior se realiza en un solo nivel. Las estructuras iceberg también son adecuadas como disipadores de calor para componentes de potencia y pueden combinarse con orificios pasantes (vías) para optimizar la gestión térmica.
HSMtec: elementos de cobre en las capas interna y externa
Otra forma de combinar carga y lógica en una placa de circuito impreso es HSMtec. En este método, se instalan selectivamente elementos de cobre macizo en las capas internas y bajo las externas de la multicapa FR4, en los puntos de alta corriente, y se unen ultrasónicamente al cobre base de los patrones conductores grabados. Tras prensar las capas, los perfiles de cobre se ubican bajo las capas externas o en las internas de la multicapa. El resto de la placa de circuito impreso permanece intacto.
El multicapa se fabrica mediante el proceso de fabricación estándar y se procesa posteriormente mediante el proceso habitual de ensamblaje y soldadura. Con esta estructura, se pueden cumplir las especificaciones eléctricas de rigidez dieléctrica y clases de aislamiento de las máquinas, así como las exigentes condiciones de temperatura con espacio de instalación limitado en vehículos.
Los perfiles de cobre macizo dentro de la multicapa también permiten construcciones tridimensionales. El fresado de muescas perpendicular a los perfiles de cobre permite doblar segmentos de la placa de circuito hasta 90°. De esta manera, se aprovecha el espacio de instalación de forma inteligente y se transportan altas corrientes y calor por el borde de curvatura. La construcción se presenta como una placa de circuito bidimensional, fabricada y ensamblada en el panel. Tras ensamblar el módulo, la placa de circuito se dobla en la forma tridimensional.
El software ayuda a los desarrolladores a dimensionar pistas conductoras de alta corriente. Con solo unas pocas entradas, como la corriente y la temperatura, la calculadora proporciona el ancho mínimo de cable para HSMtec, así como para revestimientos de cobre de 70 y 105 µm.
